鋁、錳復合脅迫對向日葵幼苗葉綠素及膜脂過氧化的影響

陸全杰 梁程 黃世文 曾小飚 黃開騰 張肅杰

摘 要：采用砂培試驗，研究不同濃度的鋁、錳復合脅迫（Al 0mg/L+Mn 0mg/L;Al 25mg/L+Mn 20mg/L;Al 50mg/L+Mn 50mg/L;Al 100mg/L+Mn 100mg/L;Al 200mg/L+Mn 200mg/L;Al 400mg/L+Mn 300mg/L）對向日葵幼苗葉片葉綠素含量及細胞膜脂過氧化的影響。結果表明：隨著鋁、錳復合脅迫濃度的增加，向日葵幼苗葉片葉綠素的含量表現出先上升后下降的變化趨勢，在Al 50mg/L+Mn 50mg/L時達到最大值;MDA含量隨鋁錳復合脅迫濃度的增加呈現先升高后下降的趨勢，各處理MDA含量均高于對照，在Al 100mg/L+Mn 100mg/L時達到峰值。

關鍵詞：向日葵;鋁錳復合脅迫;葉綠素;膜脂過氧化

中圖分類號 S727.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0027-03

通常把密度在4.0g/cm3以上的金屬元素稱為重金屬，包括Hg、Cd、Pb、Zn等60種。環境受到生物毒性顯著的Hg、Cd、Cr、Pb等或含有毒性的Zn、Cu、Co、Ni等重金屬造成的污染即是重金屬污染[1-2]。重金屬在環境中的首要儲存場所就是土壤。歐洲共同體在20世紀70年代發布的統計報告中指明，人類排放的大部分重金屬最終進入土壤[3]。據統計，2017年全國排放的Hg、Cd、Pb、Cr等重金屬達182.54t。因為土壤受到了重金屬的污染，使得全國糧食每年至少損失1000萬t，直接造成了200多億元的經濟損失[4]。重金屬通過農作物的生長進入農作物體內，再通過飲食進入人體，從而帶來嚴重后果。傳統的土壤污染治理容易造成土壤微生物和結構的損壞，且治理成本高，不是修復重金屬污染土壤的最優解。植物修復方法與其他方法相比，具有不破壞土壤結構、無二次污染、成本低廉等優點，如何利用植物修復技術對治理重金屬污染這一研究方向有著巨大的潛力。

向日葵（Helianthus annuus L.）是菊科向日葵屬的一年生草本植物。已有研究發現，向日葵對某些重金屬污染有較好的抵御作用，是土壤重金屬污染植物修復的優良選擇[5-6]。本試驗通過不同濃度鋁、錳復合脅迫探究鋁、錳復合污染對向日葵幼苗葉片葉綠素及膜脂過氧化的影響，以期為種植向日葵修復土壤重金屬污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗使用的向日葵品種為亞太二號F1，購自北京亞太農業有限公司。

1.2 向日葵幼苗培養與脅迫試驗 選用飽滿、品質優良的向日葵種子，用高錳酸鉀浸泡5min消毒，再用蒸餾水沖洗3次，然后將向日葵撒在干凈的育苗盤上，放入人工氣候箱中，在（28±2）℃條件下萌發。選擇發芽狀況良好的種子，用蒸餾水沖洗2～3次，然后放入裝有砂礫的培養杯中培養，每天澆灌霍格蘭培養液。培養14d后，選擇長勢相仿的幼苗分為6組進行脅迫試驗，分組編號及脅迫濃度如表1所示，脅迫10d后取葉片進行葉綠素及丙二醛（MDA）的含量測定。試驗做3次重復。

1.3 生理指標測定方法 葉綠素含量的測定參考《植物生理學實驗指導》[7]。丙二醛（MDA）的含量選用硫代巴比妥酸法來測定[7]。

2 結果與分析

2.1 鋁、錳復合脅迫對向日葵幼苗葉片葉綠素含量的影響 葉綠素是植物體進行光合作用的色素之一，其含量可直接反映植物光合作用能力的強弱。植物的光合作用能力變弱，會造成植物鮮重明顯下降[8-9]。由圖1可知，向日葵幼苗葉片的葉綠素含量總體表現出先上升后下降的變化趨勢。鋁錳復合脅迫濃度在T1～T2時，向日葵幼苗葉片的葉綠素表現出逐漸上升的趨勢，當鋁錳復合脅迫濃度在T2時達到最大值，是對照的110.97%，當鋁錳復合脅迫濃度在T1時是對照的104.81%;鋁錳復合脅迫濃度在T2～T5時，向日葵幼苗葉片的葉綠素含量表現出逐漸下降的趨勢，且濃度在T3～T5時，葉綠素含量整體比對照T0的要低，當鋁錳復合脅迫濃度在T5時達到最小值，僅是對照的77.32%。另外，向日葵體內的葉綠素a和葉綠素b含量也表現出先增多后減少的變化趨勢。鋁錳復合脅迫濃度在T1～T2時，其葉綠素表現出逐漸上升的變化趨勢，且各濃度中向日葵幼苗中的葉綠素a和葉綠素b含量整體比對照T0的要高，都在鋁錳復合脅迫濃度為T2時達到最大值;鋁錳復合脅迫濃度在T3～T5時，向日葵幼苗中的葉綠素a和葉綠素b含量表現出逐漸下降的變化趨勢，且各濃度向日葵幼苗中的葉綠素整體比對照T0的要低。由此可見，不同濃度的鋁錳復合脅迫對向日葵合成的葉綠素有一定程度的影響。

2.2 鋁錳復合脅迫對向日葵幼苗膜脂過氧化的影響 在植物生理研究中，丙二醛（MDA）的含量是一項重要檢測指標。植物體處于逆境條件下時，細胞質膜中的不飽和脂肪酸會很容易發生過氧化反應，過氧化反應的最終產物是MDA。MDA會對生物膜造成一定的損傷，造成生物膜的選擇透過性功能逐漸喪失，通透性增大。通過MDA的含量變化可以預測植物的衰老程度或是在逆境中受到毒害的程度[10]。由圖2可知，隨著鋁錳復合脅迫液濃度的增加，細胞質膜過氧化反應不斷加劇，向日葵幼苗葉片的MDA含量呈現先升高后下降的規律，而且各個處理都高于T0（對照）。在T1～T5的處理下，MDA含量分別增加了11%、39%、111%、89%、28%，這是植物適應環境的一種正常表現，表明向日葵幼苗受到了鋁錳重金屬的毒害作用。在T3處理時，MDA含量達到最高，比對照多出111%，此時的過氧化反應也達到了最大。隨著脅迫液濃度的繼續增加，MDA含量開始下降，說明隨著重金屬毒害的加深，向日葵植物細胞中滲透勢遭到了破壞，膜脂過氧化反應受到一定程度的影響。

3 結論與討論

植物體處于重金屬污染、鹽漬、干旱等環境中時，植物體會表現出一定的抗逆性，可根據其生理生化指標的變化來研究植物的抗逆機理。葉綠素是植物體進行光合作用必要的色素之一，葉綠素含量直接反映植物光合作用能力的強弱，同時葉綠素含量的變化也是植物體植物組織、器官的衰老狀況在逆境脅迫下的表現[11]。本研究發現向日葵幼苗在受到鋁錳復合脅迫的情況下，其葉綠素含量表現出先上升后下降的變化趨勢，說明低濃度的鋁錳復合污染對向日葵幼苗的葉綠素合成是有促進效果的，但隨著鋁錳復合脅迫濃度的逐漸升高，葉綠素含量在達到最高值后開始下降。葉綠素含量的減少，一方面可能是由于植物體吸收Al3+后，Al3+會與葉綠素以某種方式與葉綠素合成酶結合導致酶結構發生變化，或者是因為細胞吸收Al3+后改變細胞膜的結構，從而使得葉綠素含量減少[12];另一方面原因可能是植物體吸收了過量的Mn2+，抑制了細胞對Fe3+和Mg2+的吸收，使得葉綠素的合成受到阻礙，并且植物體內的葉綠素會因為細胞吸收了過量的Mn2+導致結構遭到損壞，進而影響到葉綠素的合成導致葉綠素含量降低。當植物處在逆境條件下時，植物會通過改變體內的理化性質，使植物體內各物質的含量都發生改變，最終直接或者間接地影響植物體內葉綠素的含量。

通過測定MDA含量的變化可以預測細胞膜脂過氧化反應程度，間接預測出細胞受重金屬毒害的程度。本研究中，MDA含量開始隨著脅迫液濃度的增加而增加。在低濃度重金屬脅迫時，增加量并不明顯，表明低濃度的鋁錳對植物造成的毒害影響較小，濃度在Al 100mg/L+Mn 100mg/L時MDA含量達到最大值，此時應該是植物體內積累了大量的活性氧自由基，從而加大膜脂過氧化反應，生成大量MDA，使細胞通透性改變。之后繼續增加脅迫液濃度，MDA增加量開始慢慢變少。這可能是由于脅迫液濃度的增加刺激了植物體內的抗氧化酶系統，使得其活性增大，提高了植物體內清除活性氧自由基的能力，增強了植物修復氧傷害的能力，從而使得丙二醛含量下降[13]。

參考文獻

[1]鄭喜珅，魯安懷，高翔，等.土壤中重金屬污染現狀與防治方法[J].土壤與環境，2002（01）：79-84.

[2]余貴芬，青長樂.重金屬污染土壤治理研究現狀[J].農業環境與發展，1998，15（4）：22-24.

[3]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2000.

[4]盧聲.土壤因素對蔬菜中重金屬含量的影響分析[J].丹東紡專學報，2004，9（3）：34-38.

[5]郭艷麗，臺培東，韓艷萍，等.鎘脅迫對向日葵幼苗生長和生理特性的影響[J].環境工程學報，2009，3（12）：2291-2296.

[6]殷恒霞，李霞，米琴，等.鎘、鋅、銅脅迫對向日葵早期幼苗生長的影響[J].植物遺傳資源學報，2009，10（02）：290-294，299.

[7]張志良，瞿偉菁，李小方.植物生理學實驗指導[M].第4版.北京：高等教育出版社，2009：58-61，227-228.

[8]Mathys W.Vergleichende untersuehugen der zinkaufnahme von die sis-tenten und sensitive population von agrostis tenuis sibth[J].Flora，1973（162）：492-499.

[9]儲玲，劉登義，王友保，等.銅污染對三葉草幼苗生長及活性氧代謝影響的研究[J].應用生態學報，2004（01）：119-122.

[10]周瑞蓮，趙哈林.高寒山區草本植物的保護酶系統及其在低溫生長中的作用[J].西北植物學報，2002，22（3）566-573.

[11]Jennifer Cutraro，Nora Goldstein.Cleaning up contaminants with plants[J].Biocycle，2005，46（S）：30-32.

[12]應小芳，劉鵬.鋁脅迫對大豆葉片光合特性的影響[J].應用生態學報，2005（01）：166-170.

[13]諶金吾.三葉鬼針草（Bidens pilosa L.）對重金屬Cd、Pb脅迫的響應與修復潛能研究[D].重慶：西南大學，2013.

（責編：徐世紅）